Monitoring Bridge Dynamic Behaviour using an Instrumented Two Axle Vehicle

Highway structures such as bridges are subject to continuous degradation primarily due to ageing, loading and environmental factors. A rational transport policy must monitor and provide adequate maintenance to this infrastructure to guarantee the required levels of transport service and safety. Increasingly in recent years, bridges are being instrumented and monitored on an ongoing basis due to the implementation of Bridge Management Systems. This is very effective and provides a high level of protection to the public and early warning if the bridge becomes unsafe. However, the process can be expensive and time consuming, requiring the installation of sensors and data acquisition electronics on the bridge. This paper investigates the use of an instrumented 2-axle vehicle fitted with accelerometers to monitor the dynamic behaviour of a bridge network in a simple and cost-effective manner. A simplified half car-beam interaction model is used to simulate the passage of a vehicle over a bridge. This investigation involves the frequency domain analysis of the axle accelerations as the vehicle crosses the bridge. The spectrum of the acceleration record contains noise, vehicle, bridge and road frequency components. Therefore, the bridge dynamic behaviour is monitored in simulations for both smooth and rough road surfaces. The vehicle mass and axle spacing are varied in simulations along with bridge structural damping in order to analyse the sensitivity of the vehicle accelerations to a change in bridge properties. These vehicle accelerations can be obtained for different periods of time and serve as a useful tool to monitor the variation of bridge frequency and damping with time.

Experimental Investigation of the Detection of Bridge Dynamic Parameters using a Moving Vehicle

This paper investigates the feasibility of using an instrumented vehicle to detect bridge dynamic parameters, such as natural frequency and structural damping, in a scaled laboratory experiment. In the experiment, a scaled vehicle model crosses a steel girder which has been adopted as the bridge model. The bridge model also includes a scaled road surface profile. The effects of varying vehicle model mass and speed are investigated. The damping of the girder is also varied. The bridge frequency and changes in damping are detected in the vehicle acceleration response in the presence of a rough road surface profile.

Dynamic axle force and road profile identification using a moving vehicle

The axle forces applied by a vehicle through its wheels are a critical part of the interaction between vehicles, pavements and bridges. Therefore, the minimisation of these forces is important in order to promote long pavement life spans and ensure that bridge loads are small. Moreover, as the road surface roughness affects the vehicle dynamic forces, the monitoring of pavements for highways and bridges is an important task. This paper presents a novel algorithm to identify these dynamic interaction forces which involves direct instrumentation of a vehicle with accelerometers. The ability of this approach to predict the pavement roughness is also presented. Moving force identification theory is applied to a vehicle model in theoretical simulations in order to obtain the interaction forces and pavement roughness from the measured accelerations. The method is tested for a range of bridge spans in simulations and the influence of road roughness level on the accuracy of the results is investigated. Finally, the challenge for the real-world problem is addressed in a laboratory experiment.

Extracting statistically dominant modes of a steel truss bridge from vehicle-induced vibrations

This study is intended to investigate the validity of the stability diagram (SD) aided multivariate autoregressive (MAR) analysis for identifying modal parameters of a real truss bridge. The MAR models are adopted to fit the time series of the dynamic accelerations recorded from a number of observation points on the bridge; then the modal parameters are extracted from the MAR model coefficient matrix. The SD is adopted to determine statistically dominant modes. In plotting the SD, a number of stability criteria are further adopted for filtering out those modes with unstable modal parameters. By the present method, the first five modal frequencies and mode shapes are identified with very high precision, while the damping ratios are identified with high precision for the 1st mode but with poorer precision for higher modes. Moreover, the ability of the SD in selecting structural modes without getting involved in any model-order optimization problem is highlighted through a comparison study.

Development of a Vehicle-Bridge-Soil Dynamic Interaction Model for Scour Damage Modelling

Damage detection in bridges using vibration-based methods is an area of growing research interest. Improved assessment
methodologies combined with state-of-the-art sensor technology are rapidly making these approaches applicable for real-world
structures. Applying these techniques to the detection and monitoring of scour around bridge foundations has remained
challenging; however this area has gained attraction in recent years. Several authors have investigated a range of methods but
there is still significant work required to achieve a rounded and widely applicable methodology to detect and monitor scour.This
paper presents a novel Vehicle-Bridge-Soil Dynamic Interaction (VBSDI) model which can be used to simulate the effect of scour
on an integral bridge. The model outputs dynamic signals which can be analysed to determine modal parameters and the variation
of these parameters with respect to scour can be examined.The key novelty of this model is that it is the first numerical model for
simulating scour that combines a realistic vehicle loadingmodel with a robust foundation soil responsemodel.This paper provides a
description of the model development and explains the mathematical theory underlying themodel. Finally a case study application
of the model using typical bridge, soil, and vehicle properties is provided.

Sustainable non-automotive vehicles: The simulation challenges

Simulation is a well-established and effective approach to the development of fuel-efficient and low-emissions vehicles in both on-highway and off-highway applications.

The simulation of on-highway automotive vehicles is widely reported in literature, whereas research relating to non-automotive and off-highway vehicles is relatively sparse. This review paper focuses on the challenges of simulating such vehicles and discusses the differences in the approach to drive cycle testing and experimental validation of vehicle simulations. In particular, an inner-city diesel-electric hybrid bus and an ICE (Internal Combustion Engine) powered forklift truck will be used as case studies.

Computer prediction of fuel consumption and emissions of automotive vehicles on standardised drive cycles is well-established and commercial software packages such as AVL CRUISE have been specifically developed for this purpose. The vehicles considered in this review paper present new challenges from both the simulation and drive-cycle testing perspectives. For example, in the case of the forklift truck, the drive cycles involve reversing elements, variable mass, lifting operations, and do not specify a precise velocity-time profile. In particular, the difficulties associated with the prediction of productivity, i.e. the maximum rate of completing a series of defined operations, are discussed. In the case of the hybrid bus, the standardised drive cycles are unrepresentative of real-life use and alternative approaches are required in the development of efficient and low-emission vehicles.

Two simulation approaches are reviewed: the adaptation of a standard automotive vehicle simulation package, and the development of bespoke models using packages such as MATLAB/Simulink.

Determining the Presence of Scour around Bridge Foundations Using Vehicle-Induced Vibrations

Bridge scour is the number one cause of failure in bridges located over waterways. Scour leads to rapid losses in foundation stiffness and can cause sudden collapse. Previous research on bridge health monitoring has used changes in natural frequency to identify damage in bridge beams. The possibility of using a similar approach to identifying scour is investigated in this paper. To assess if this approach is feasible, it is necessary to establish how scour affects the natural frequency of a bridge, and if it is possible to measure changes in frequency using the bridge dynamic response to a passing vehicle. To address these questions, a novel vehicle–bridge–soil interaction (VBSI) model was developed. By carrying out a modal study in this model, it is shown that for a wide range of possible soil states, there is a clear reduction in the natural frequency of the first mode of the bridge with scour. Moreover, it is shown that the response signals on the bridge from vehicular loading are sufficient to allow these changes in frequency to be detected.

Selection of the most appropriate roadside vehicle restraint system – the SAVeRS project

Run Off Road (ROR) crashes are road accidents that often result in severe injuries or fatalities. To reduce the severity of ROR crashes, “forgiving roadsides” need to be designed and this includes identifying situations where there is a need for a Vehicle Restraint System (VRS) and what appropriate VRS should be selected for a specific location and traffic condition. Whilst there are standards covering testing, evaluation and classification of VRS within Europe (EN1317 parts 1 to 8), their selection, location and installation requirements are typically based upon national guidelines and standards, often produced by National Road Authorities (NRA) and/or overseeing organisations. Due to local conditions, these national guidelines vary across Europe.
The European SAVeRS project funded by CEDR has developed a practical and readily understandable VRS guidance document and a user-friendly software tool which allow designers and road administrations to select the most appropriate solution in different road and traffic conditions.
This paper describes the main outcomes of the project, the process to select the most appropriate roadside barrier, and the user friendly SAVeRS tool.

Contribution of biomass combustion to air pollutant emissions

In Portugal, it was estimated that around 1.95 Mton/year of wood is used in residential wood burning for heating and cooking. Additionally, in the last decades, burnt forest area has also been increasing. These combustions result in high levels of toxic air pollutants and a large perturbation of atmospheric chemistry, interfere with climate and have adverse effects on health. Accurate quantification of the amounts of trace gases and particulate matter emitted from residential wood burning, agriculture and garden waste burning and forest fires on a regional and global basis is essential for various purposes, including: the investigation of several atmospheric processes, the reporting of greenhouse gas emissions, and quantification of the air pollution sources that affect human health at regional scales. In Southern Europe, data on detailed emission factors from biomass burning are rather inexistent. Emission inventories and source apportionment, photochemical and climate change models use default values obtained for US and Northern Europe biofuels. Thus, it is desirable to use more specific locally available data. The objective of this study is to characterise and quantify the contribution of biomass combustion sources to atmospheric trace gases and aerosol concentrations more representative of the national reality. Laboratory (residential wood combustion) and field (agriculture/garden waste burning and experimental wildland fires) sampling experiments were carried out. In the laboratory, after the selection of the most representative wood species and combustion equipment in Portugal, a sampling program to determine gaseous and particulate matter emission rates was set up, including organic and inorganic aerosol composition. In the field, the smoke plumes from agriculture/garden waste and experimental wildland fires were sampled. The results of this study show that the combustion equipment and biofuel type used have an important role in the emission levels and composition. Significant differences between the use of traditional combustion equipment versus modern equipments were also observed. These differences are due to higher combustion efficiency of modern equipment, reflecting the smallest amount of particulate matter, organic carbon and carbon monoxide released. With regard to experimental wildland fires in shrub dominated areas, it was observed that the largest organic fraction in the samples studied was mainly composed by vegetation pyrolysis products. The major organic components in the smoke samples were pyrolysates of vegetation cuticles, mainly comprising steradienes and sterol derivatives, carbohydrates from the breakdown of cellulose, aliphatic lipids from vegetation waxes and methoxyphenols from the lignin thermal degradation. Despite being a banned practice in our country, agriculture/garden waste burning is actually quite common. To assess the particulate matter composition, the smoke from three different agriculture/garden residues have been sampled into 3 different size fractions (PM2.5, PM2.5-10 and PM>10). Despite distribution patterns of organic compounds in particulate matter varied among residues, the amounts of phenolics (polyphenol and guaiacyl derivatives) and organic acids were always predominant over other organic compounds in the organosoluble fraction of smoke. Among biomarkers, levoglucosan, β-sitosterol and phytol were detected in appreciable amounts in the smoke of all agriculture/garden residues. In addition, inositol may be considered as an eventual tracer for the smoke from potato haulm burning. It was shown that the prevailing ambient conditions (such as high humidity in the atmosphere) likely contributed to atmospheric processes (e.g. coagulation and hygroscopic growth), which influenced the particle size characteristics of the smoke tracers, shifting their distribution to larger diameters. An assessment of household biomass consumption was also made through a national scale survey. The information obtained with the survey combined with the databases on emission factors from the laboratory and field tests allowed us to estimate the pollutant amounts emitted in each Portuguese district. In addition to a likely contribution to the improvement of emission inventories, emission factors obtained for tracer compounds in this study can be applied in receptor models to assess the contribution of biomass burning to the levels of atmospheric aerosols and their constituents obtained in monitoring campaigns in Mediterranean Europe.

Characterisation of gas and particle emissions from wildfires

Os incêndios florestais são uma importante fonte de emissão de compostos gasosos e de aerossóis. Em Portugal, onde a maioria dos incêndios ocorre no norte e centro do país, os incêndios destroem todos os anos milhares de hectares, com importantes perdas em termos económicos, de vidas humanas e qualidade ambiental. As emissões podem alterar consideravelmente a química da atmosfera, degradar a qualidade do ar e alterar o clima. Contudo, a informação sobre as caraterísticas das emissões dos incêndios florestais nos países do Mediterrâneo é limitada. Tanto a nível nacional como internacional, existe um interesse crescente na elaboração de inventários de emissões e de regulamentos sobre as emissões de carbono para a atmosfera. Do ponto de vista atmosférico da monitorização atmosférica, os incêndios são considerados um desafio, dada a sua variabilidade temporal e espacial, sendo de esperar um aumento da sua frequência, dimensão e severidade, e também porque as estimativas de emissões dependem das caraterísticas dos biocombustíveis e da fase de combustão. O objetivo deste estudo foi quantificar e caraterizar as emissões de gases e aerossóis de alguns dos mais representativos incêndios florestais que ocorreram no centro de Portugal nos verões de 2009 e de 2010. Efetuou-se a colheita de amostras de gases e de duas frações de partículas (PM2.5 e PM2.5-10) nas plumas de fumo em sacos Tedlar e em filtros de quartzo acoplados a um amostrador de elevado volume, respetivamente. Os hidrocarbonetos totais (THC) e óxidos de carbono (CO e CO2) nas amostras gasosas foram analisados em instrumentos automáticos de ionização de chama e detetores não dispersivos de infravermelhos, respetivamente. Para algumas amostras, foram também quantificados alguns compostos de carbonilo após reamostragem do gás dos sacos Tedlar em cartuchos de sílica gel revestidos com 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH), seguida de análise por cromatografia líquida de alta resolução. Nas partículas, analisou-se o carbono orgânico e elementar (técnica termo-óptica), iões solúveis em água (cromatografia iónica) e elementos (espectrometria de massa com plasma acoplado por indução ou análise instrumental por ativação com neutrões). A especiação orgânica foi obtida por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa após extração com recurso a vários solventes e separação dos extratos orgânicos em diversas classes de diferentes polaridades através do fracionamento com sílica gel. Os fatores de emissão do CO e do CO2 situaram-se nas gamas 52-482 e 822-1690 g kg-1 (base seca), mostrando, respetivamente, correlação negativa e positiva com a eficiência de combustão. Os fatores de emissão dos THC apresentaram valores mais elevados durante a fase de combustão latente sem chama, oscilando entre 0.33 e 334 g kg-1 (base seca). O composto orgânico volátil oxigenado mais abundante foi o acetaldeído com fatores de emissão que variaram desde 1.0 até 3.2 g kg-1 (base seca), seguido pelo formaldeído e o propionaldeído. Observou-se que as emissões destes compostos são promovidas durante a fase de combustão latente sem chama. Os fatores de emissão de PM2.5 e PM10 registaram valores entre 0.50-68 e 0.86-72 g kg-1 (base seca), respetivamente. A emissão de partículas finas e grosseiras é também promovida em condições de combustão lenta. As PM2.5 representaram cerca de 90% da massa de partículas PM10. A fração carbonosa das partículas amostradas em qualquer dos incêndios foi claramente dominada pelo carbono orgânico. Foi obtida uma ampla gama de rácios entre o carbono orgânico e o carbono elementar, dependendo das condições de combustão. Contudo, todos os rácios refletiram uma maior proporção de carbono orgânico em relação ao carbono elementar, típica das emissões de queima de biomassa. Os iões solúveis em água obtidos nas partículas da pluma de fumo contribuíram com valores até 3.9% da massa de partículas PM2.5 e 2.8% da massa de partículas de PM2.5-10. O potássio contribuiu com valores até 15 g mg-1 PM2.5 e 22 g mg-1 PM2.5-10, embora em massa absoluta estivesse maioritariamente presente nas partículas finas. Os rácios entre potássio e carbono elementar e entre potássio e carbono orgânico obtidos nas partículas da pluma de fumo enquadram-se na gama de valores relatados na literatura para emissões de queima de biomassa. Os elementos detetados nas amostras representaram, em média, valores até 1.2% e 12% da massa de PM2.5 e PM2.5-10, respetivamente. Partículas resultantes de uma combustão mais completa (valores elevados de CO2 e baixos de CO) foram caraterizadas por um elevado teor de constituintes inorgânicos e um menor conteúdo de matéria orgânica. Observou-se que a matéria orgânica particulada é composta principalmente por componentes fenólicos e produtos derivados, séries de compostos homólogos (alcanos, alcenos, ácidos alcanóicos e alcanóis), açúcares, biomarcadores esteróides e terpenóides, e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. O reteno, um biomarcador das emissões da queima de coníferas, foi o hidrocarboneto aromático dominante nas amostras das plumas de fumo amostradas durante a campanha que decorreu em 2009, devido ao predomínio de amostras colhidas em incêndios em florestas de pinheiros. O principal açúcar anidro, e sempre um dos compostos mais abundantes, foi o levoglucosano. O rácio levoglucosano/OC obtido nas partículas das plumas de fumo, em média, registaram valores desde 5.8 a 23 mg g-1 OC. Os rácios levoglucosano/manosano e levoglucosano/(manosano+galactosano) revelaram o predomínio de amostras provenientes da queima de coníferas. Tendo em conta que a estimativa das emissões dos incêndios florestais requer um conhecimento de fatores de emissão apropriados para cada biocombustível, a base de dados abrangente obtida neste estudo é potencialmente útil para atualizar os inventários de emissões. Tem vindo a ser observado que a fase de combustão latente sem chama, a qual pode ocorrer simultaneamente com a fase de chama e durar várias horas ou dias, pode contribuir para uma quantidade considerável de poluentes atmosféricos, pelo que os fatores de emissão correspondentes devem ser considerados no cálculo das emissões globais de incêndios florestais. Devido à falta de informação detalhada sobre perfis químicos de emissão, a base de dados obtida neste estudo pode também ser útil para a aplicação de modelos no recetor no sul da Europa.

Distribuição por tamanhos do aerosol atmosférico na Península Ibérica

Um dos principais fatores que afetam negativamente a qualidade do ambiente em muitas cidades em todo o mundo é o material particulado (PM). A sua presença na atmosfera pode ter impactos negativos na saúde humana, clima, património edificado e ecossistemas. Muitos dos estudos realizados em áreas urbanas focam apenas as frações respiráveis (PM10 e PM2,5). No entanto, os processos de formação, a identificação das fontes emissoras e os efeitos dependem muito da distribuição granulométrica das partículas. A atenção tem recaído na análise de hidrocarbonetos poliaromáticos (PAHs), devida à sua carcinogenicidade e a informação disponível sobre outros compostos é escassa. O presente estudo consistiu na obtenção do PM distribuído por diferentes frações de tamanho e na análise detalhada da sua composição química, em dois locais urbanos da Península Ibérica (Madrid e Lisboa). Dado que os veículos representam uma das principais fontes emissoras em ambientes urbanos, efetuou-se uma caracterização mais detalhada deste tipo de emissões, conduzindo uma campanha de amostragem num túnel rodoviário (Marquês de Pombal, Lisboa). As amostragens, em ambas as cidades, decorreram durante um mês, quer no verão quer no inverno, em dois locais urbanos distintos, um junto a uma via com influência de tráfego e outro numa área urbana de fundo. No túnel a amostragem foi realizada apenas durante uma semana. Em Madrid e no túnel, o PM foi recolhido utilizando um amostrador de elevado volume com impactor em cascata com quatro tamanhos: 10-2,5, 2,5-0,95, 0,95-0,49 e < 0,49 μm. Em Lisboa, foi utilizado um impactor em cascata com apenas dois tamanhos, 10- 2,5 e < 2,5 μm. As amostras foram quimicamente analisadas e determinadas as concentrações de compostos carbonados (OC, EC e carbonatos), iões inorgânicos solúveis em água (Cl−, NO3−, SO42−, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+),metais e compostos orgânicos. Em Madrid, as concentrações médias de PM10 foram 44 e 48% maiores nas amostras recolhidas junto à estrada do que as de fundo urbano no verão e inverno, respetivamente. A fração grosseira e o PM0,5 apresentaram concentrações mais elevadas no verão do que no inverno devido às condições climatéricas pouco usuais. No verão, as amostragens decorreram num mês em que as temperaturas foram muito elevadas e em que ocorreram vários episódios de intrusão de poeira africana. Durante o período de amostragem de inverno, as temperaturas foram muito baixas e registaram-se vários dias de precipitação quer sob a forma de chuva, quer sob a forma de neve. As situações meteorológicas sinóticas mais comuns, incluindo aquelas que causam o transporte de massas de ar com poeiras Africanas, foram identificadas em ambas as estações do ano. As concentrações mássicas de PM10, EC e OC foram encontrados predominantemente na fração de tamanho ultrafino em ambos os locais de amostragem e estações do ano. Nas restantes frações não se observou nenhuma tendência sazonal. O carbono orgânico secundário (SOC) mostrou um claro padrão sazonal, com concentrações muito mais elevadas no verão do que no inverno, em ambos os lugares. A partir do balanço mássico de iões, observou-se que, no verão, a formação de compostos inorgânicos secundários (SIC) conduziu a um enriquecimento pouco comum de Ca2+ na fração submicrométrica, quer nas amostras de tráfego, quer em fundo urbano. Os alcanos, PAHs, os álcoois e os ácidos foram as classes de compostos orgânicos identificados e quantificados no material particulado. Globalmente, representaram 0,26 e 0,11 μg m−3 no verão e inverno, respetivamente, no local de tráfego e 0,28 e 0,035 μg m−3 na área urbana de fundo. Os diferentes compostos orgânicos também apresentaram padrões sazonais, sugerindo fontes de emissão (e.g. escapes dos veículos e fontes biogénicas) ou processos de formação com contribuições variáveis ao longo do ano. As concentrações de benzoapireno equivalente foram menores que 1 ng m-3 e o risco carcinogénico estimado é baixo. No verão, os maiores enriquecimentos de metais ocorreram na fração submicrométrica, e no inverno na fração grosseira. No verão, os enriquecimentos foram ≥ 80% para o Mn, Ni, Cu, Zn, Cd, Sb e Co, no inverno, estes traçadores de emissões do tráfego foram menores, exceto para o Zn. Em Lisboa, a concentração média de PM10 foi de 48 μg m-3 no verão e de 44 μg m-3 no inverno, junto à estrada. Na área de fundo urbano, registaram-se níveis comparáveis nas duas estações (27 μg m-3 e 26 μg m-3). A média do rácio PM2,5/PM10 foi de 65% no verão e 44% no inverno na área de tráfego e 62% e 59% na área urbana de fundo. Estes resultados significam que o PM2,5 é um dos principais contaminantes que afetam a qualidade do ar no centro da cidade de Lisboa. A relação OC/EC, que reflete a composição das emissões de combustão dos veículos, variou entre 0,3 e 0,4 no interior do túnel. Os rácios de OC/EC mínimos obtidos junto às vias de tráfego em Madrid e em Lisboa encontram-se entre os do túnel e os registados em atmosferas urbanas de fundo, sugerindo que os valores mínimos habitualmente obtidos para este parâmetro em ambientes urbanos abertos sobrestimam as emissões diretas de OC pelo transporte rodoviário. Espera-se que os resultados deste trabalho contribuam para suprir, pelo menos em parte, as lacunas de informação quer sobre a composição de várias granulometrias de PM, quer sobre fontes e processos de formação em atmosferas urbanas. Como a exposição a poluentes do ar ultrapassa o controle dos indivíduos e exige ação das autoridades públicas a nível nacional, regional e até mesmo internacional, é importante propor medidas mitigadoras focadas nas principais fontes de emissão identificadas.

Review of state government motor vehicle resources

The LAC was requested to review state motor vehicle resources and make recommendations. It focused on three statewide objectives posed by the committees: (1) Determine if any wasteful duplication exists among state-owned vehicle maintenance facilities. (2) Identify any waste or inefficiency in the use of state owned vehicles. (3) Identify unnecessary or personal use of state-owned vehicles.